基于BIM的山嶺隧道施工安全管理系統研究

李文韜，劉思佳，馬強強，張擁軍，徐文協

(青島理工大學 青島市 266000)

0 引言

復雜多變的不良地質條件是造成隧道工程事故的主要因素[1]，面對復雜多變的地質條件，加之施工管理人員對風險認識不到位，設計、施工、監測等參建單位信息共享不及時不充分及其容易造成工程事故，嚴重制約了隧道的安全高效建設[2]。

隨著地質勘探、監控量測、BIM等技術的不斷發展，實現隧道勘察、設計、施工以及監控量測的系統信息化管理成為了可能。對此眾多學者做出了大量的研究。隧道地質信息管理方面，李濤[3]等人通過地質信息管理系統TGIS實現了隧道地質信息的信息化、精細化管理。

隧道設計方面，李君君[4]等人將BIM技術引入到隧道設計中，實現了隧道模型的三維建立，信息附加等問題，翟世鴻[5]等人對礦山法建模精度方面進行了研究，使BIM建模精度符合二維施工圖紙施工信息的要求。董君[6]等人應用BIM技術實現了隧道襯砌智能化施工建設；隧道管理方面，陳濤[7]運用隧道及地鐵工程預警控制平臺實現了對隧道數據的管理和隧道施工預警，黃廷[8]等人建立了基于BIM的公路隧道運維管理平臺，提高了公路運營隧道的管理化水平。

綜上所述，眾多學者在勘察精度、安全設計以及施工管理方面做了大量的研究，但在從隧道勘察、設計、施工以及監控量測一體化、信息化管理方面還有待進一步提高，結合隧道施工的特點，將超前地質預報、數值模擬、BIM技術合理地運用到隧道的勘察、設計、施工階段，建立了隧道施工預警系統，可為隧道的安全順利施工保駕護航。

1 隧道安全管理系統設計

1.1 系統需求分析

(1)隧道施工信息的實時傳遞

由于隧道項目規模大、復雜度高以及地質環境復雜多變，隧道施工信息是一個動態變化的過程。當遇到如富水區、破碎帶等復雜地質條件時，前期的設計方案有時會不滿足施工安全要求，這就需要進行設計方案的變更優化。方案的實時優化需要施工方和設計方對隧道信息能夠高效精準的傳遞，才能保證設計方案的時效性和可行性。同樣隧道監控量測單位發現隧道變形異常時，也需要及時將隧道圍巖信息反饋給施工單位。施工單位也需要對現場施工狀況、施工進度等做出全方位的把控，這都需要各單位信息的精準高效的傳遞。因此，建立一個多單位信息共享的平臺，可以防止各單位信息傳遞不及時、不精確，保證隧道施工信息的動態傳遞。

(2)隧道數據管理

隧道在施工過程中會產生大量的數據，如施工單位需對施工進度及施工資源使用狀況進行詳細記錄，監測單位需要對日常監測數據進行歸納整理等，如果對施工資料不進行科學的歸納整理，就會給相關人員提取有效信息造成巨大的困難，特別是不同單位不同專業進行相關資料查詢時，由于對資料的不熟悉以及資料繁雜，往往導致在提取有用信息時耗費大量時間和精力。而對隧道數據進行電子化管理，可有效提高人員對有效信息的獲取效率。

(3)隧道施工指導

對于學校來說它不是私人建筑，而是社會公共建筑，與社會中學生家長和周圍居民等緊密聯系。所以教育建筑的建設，不單單是滿足其自身的功能要求就好，而是要考慮更多的制約因素。所以校園空間規劃從宏觀層面來說要以整體空間為出發點，協調平衡各方面制約，分析出項目本質的目標訴求。以整體為出發點有利于把握建設項目在所處環境中的主要矛盾，突出主要特點，明確了主從關系，提供了具體要素應遵守的規則和秩序[6]。

隧道在建設過程中，隧道施工工法會隨地質條件的改變而做出調整，施工管理人員需要對隧道施工工藝進行全面掌握，以及把握施工進度、施工資料的使用狀況，傳統管理手段很難在短時間內做到對隧道的全方位把控并指導施工。因此，將BIM模型導入施工管理系統，可以對隧道施工工法進行三維動畫展示，也可對隧道的物料、施工進度進行管理，施工管理人員通過系統可以清晰明了地掌握隧道施工動態，從而指導施工。

(4)設計方案變更

當施工遇到比勘探結果更加不良的地質帶時，按原設計方案施工存在安全隱患，就需要對隧道設計方案進行變更，設計單位可以在平臺中迅速獲取相關有效信息，對設計方案及時進行變更，將變更的設計方案更新到隧道建設安全管理平臺中，保證隧道施工的施工安全與進度。

(5)隧道施工預警

隧道施工監測是保證隧道安全順利施工必不可少的一環，隧道監測可實時動態地掌握隧道圍巖變形信息和隧道支護受力狀況。管理系統提供預警功能，隧道監控量測負責人可通過平臺發布預警信息以及日常隧道監測狀況。

1.2 監測系統構架

基于BIM的山嶺隧道施工安全管理系統是集數據采集、數據分析管理、綜合評估與預警為一體的平臺，系統采用B/S架構進行設計，其中BIM模型的展示引擎為Unity3D，在系統中應用推廣比較方便，客戶端用戶只要安裝能夠接受Unity3D插件的網頁瀏覽器即可。

隧道建設安全管理系統可分為數據采集子系統、數據管理子系統、隧道預警子系統、隧道施工監測平臺四部分組成。系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖

(1)數據采集層：主要包括隧道開挖前的地質信息數據采集、超前地質預報信息數據采集;隧道施工過程中隧道施工數據采集，隧道監控量測中隧道拱頂沉降、洞周收斂、鋼拱架應力、地表沉降等應力位移數據信息采集。隧道施工結束后隧道初支二襯數據信息的采集。

(3)數據管理層：包括設計數據庫、施工數據庫、監測信息數據庫、數值模擬數據庫。設計數據庫主要存儲設計單位的設計、變更資料等；施工數據庫包括了隧道施工進度、物料管理等用于施工單位的資料存儲。監測信息數據庫主要存儲監測單位日常監測信息以及監測數據處理信息等。數值模擬數據庫用于存儲數值模擬的模擬報告等模擬信息。

(4)平臺層：隧道建設相關負責人可以對本單位負責的數據進行修改和更新，單位負責人只有在經其他單位同意后方能進行查詢其他單位相關施工信息，但不能進行修改。如施工單位相關負責人只能對BIM施工模型和數據庫進行修改和更新，對監測單位的BIM模型及監測信息數據庫在經監測單位負責人的同意下只能對監測單位相關信息進行查詢，但不能進行修改和更新。

2 工程應用

2.1 工程項目概況

威東線田和至溫泉段改建工程位于威海市環翠區，隧道開挖高度為9.77m，凈寬14.305m，，隧道處地貌為削蝕低山丘陵地貌單元，隧道最大埋深約為46m，隧道進出口處地形起伏較陡，圍巖風化程度高，分化呈沙土狀，且埋深淺，為V級圍巖，隧道出口段有一段隧道破碎帶，隧道地質環境極其復雜，給隧道的安全高效施工帶來了極大的挑戰，為節約隧道施工成本，保證施工進度，隧道在進出口處采用CRD工法施工，四級圍巖采用CD法施工，三級圍巖采用臺階法施工，地質條件復雜多變，施工工藝多樣化，以及施工人員的不當操作等因素，導致隧道在施工期間極易發生坍塌冒頂事故，給隧道安全高效施工帶來極大威脅。

2.2 三維模型展示

根據隧道設計施工圖紙、地質勘查報告和隧道監控量測方案，通過Revit建模平臺，分別建立隧道結構族庫，隧道場地族庫及隧道測點族庫如圖2所示。將建立好的族文件導入項目中進行拼裝修改最終形成隧道結構模型，如圖3所示。最后根據勘察資料繪制地質模型，按照相應的坐標將地質模型與結構模型進行組合最終形成隧道BIM模型，如圖4所示。

圖2 族庫文件展示

圖3 隧道結構模型圖

圖4 隧道整體模型圖

2.3 隧道BIM模型于施工中的應用

根據不同的施工工法對隧道施工過程進行三維動態施工模擬以及實現三維施工進度的三維可視化，施工管理人員通過三維系統可以將BIM模型與施工進度相結合，實現隧道的施工進度管理，如圖5所示。現場工作人員可通過手機端管理平臺對現場的施工安全隱患問題進行拍照并通過語言文字等信息進行描述上傳管理平臺，平臺負責人可將施工安全隱患問題反饋給具體負責人，對施工存在的安全與質量問題進行整改，實現隧道施工的安全與質量管理如圖6、圖7所示。

圖5 隧道施工進度三維展示

圖6 現場安全隱患整改1

圖7 現場安全隱患整改2

2.4 隧道BIM監控量測模型于隧道監控量測中的應用

2.4.1隧道超前地質預報與隧道病害檢測

采用TSP技術、超前鉆孔、地質雷達相結合的綜合手段對隧道掌子面前方土體地質信息進行采集；將預測采集到的隧道前方富水程度，圍巖破碎程度等信息存儲到隧道地質信息模型中。如對掌子面族文件進行信息賦予，信息包括：掌子面樁號、巖性、圍巖等級、現場照片數據等信息，并根據現場實際施工狀況對隧道掌子面進行材質賦予，從而實現隧道地質模型信息的采集與存儲；利用地質雷達實現隧道襯砌背后空洞的檢測，根據地質雷達探測結果建立空洞族文件，將空洞族文件導入BIM三維模型系統中。空洞族文件信息包括監測日期、空洞位置、空洞大小等相關信息，實現了隧道監控量測的三維可視化管理。如圖8、圖9所示。

圖8 隧道掌子面信息展示

圖9 隧道監控量測模型

2.4.2隧道圍巖變形預測與預警

根據隧道設計資料和現場實測圍巖地質信息，對黃家夼隧道不同工法進行三維動態數值模擬，以黃家夼隧道進口段為例，黃家夼隧道進口段為強風化花崗質片麻巖，強度低，圍巖巖體破碎-極破碎，圍巖自穩能力差，為v級圍巖，洞口段地形偏壓角度約為25°～45°之間，屬于典型淺埋偏壓小凈距隧道。為了防止隧道在施工過程中出現失穩狀況，利用大型有限元軟件對隧道特殊區段建立三維數值模型，如圖10所示，對隧道圍巖變形規律和受力特點進行預測。變形規律如圖11、圖12所示。根據計算結果，對黃家夼隧道按照風險進行分級如圖13所示，對隧道可能出現的重大風險區域進行重點管控。

圖10 隧道模擬計算模型

圖11 隧道各監測點拱頂累計沉降實測值

圖12 隧道各監測點拱頂累計沉降模擬值

圖13 隧道圍巖變形可視化預警

2.5 監測平臺的協同信息管理

設計、施工、監測、監理單位可以通過協同信息平臺實現隧道施工過程中信息的獲取、傳輸、存儲、處理。從而實現各參建單位的信息共享和協同管理。

設計單位通過管理平臺上傳隧道設計施工BIM模型，設計管理人員可根據平臺獲取隧道施工過程中的地質圍巖參數信息，當施工段和設計段隧道地質狀況出現明顯差異時，設計單位可根據現場施工信息，對隧道施工方案進行實時調整。施工單位通過管理平臺獲取隧道設計施工BIM模型，將BIM模型導入施工管理系統，實現隧道施工三維可視化，以及施工進度、工程量、施工安全與施工質量的把控。監測單位可根據管理平臺獲取隧道施工三維模型，通過隧道監測方案，設計隧道三維監測模型和隧道數值模擬模型。通過數值模擬，對隧道圍巖變形進行預測。通過實測實時監測隧道的圍巖變形。當出現異常情況，監測單位發布預警信息，相關單位通過預警信息及時做出方案調整。

3 總結

通過建立基于BIM的山嶺隧道施工安全管理系統，實現了隧道施工、監控量測、超前地質預報的三維可視化管理，大大提高了隧道施工安全管理效率和水平，提高了各單位的協同管理能力，保證了隧道的安全高效施工。